鳥巢LED網幕技術詳解之鋼結構篇

來源：數字音視工程網編輯：航行150 2016-12-23 10:02:25 加入收藏

摘要：2014年APEC會議LED網幕巨幅屏幕透過鳥巢鋼桁架的不規則空隙向來賓演示視頻。整個網幕依附鳥巢西側立面，呈弧形曲面，受鳥巢結構形式的限制，施工難度大...

　　摘要：2014 年 APEC 會議 LED 網幕巨幅屏幕透過鳥巢鋼桁架的不規則空隙向來賓演示視頻。整個網幕依附鳥巢西側立面，呈弧形曲面，受鳥巢結構形式的限制，施工難度大。作者介紹了 LED 網幕工程的施工技術，針對施工難點，對主要施工方法進行了非常詳細介紹，這樣難度的技術實戰經驗實在難得，值得留存。

　　2014 年 APEC 會議 LED 網幕巨幅屏幕透過鳥巢鋼桁架的不規則空隙向來賓演示視頻。整個網幕依附鳥巢西側立面，呈弧形曲面，受鳥巢結構形式的限制，施工難度大。作者介紹了 LED 網幕工程的施工技術，針對施工難點，對主要施工方法進行了非常詳細介紹，這樣難度的技術實戰經驗實在難得，值得留存。

　　1 工程概況

　　鳥巢 LED 網幕工程是在鳥巢西側弧形立面外柱的內側安裝的一塊巨幅屏幕，該屏幕由 LED 光源陣列形成。整個網幕呈弧形曲面，總面積約13 000m2 ，施工全部為高空作業，網幕最高點距地面57.725m，最低點距地面3.000m，弧線長度約 232m，最終透過鳥巢鋼桁架形成不規則空隙向外演示奇幻的視頻效果。

　　鳥巢外形結構主要由巨大的門式鋼桁架組成，鋼桁架截面 1.2m × 1.2m，鋼結構屋蓋長軸339.20m，短軸 291.55m，鋼桁架地腳長軸327.14m，短軸 268.35m，體育場結構組件相互支撐，形成了不規則網絡狀構架。

　　2 工程特點與難點

　　該網幕由 3 步安裝完成，首先將8mm 鋼絲繩通過專用綁扎帶及專用連接件捆綁在鳥巢西側面外柱的內壁之上，要盡可能減少在鳥巢外立面上露出影響美觀的部件，安裝的所有部件顏色均采用與鳥巢相一致的銀灰色。鋼絲繩分垂直和水平方向設置，將鋼絲繩張緊后形成間距 1. 2m×1.25m 的鋼索網，然后在鋼索網上安裝尺寸為1.2m×2.5m，由Φ3 鋼筋焊接而成的鋼筋網片，網片自重約 1. 7kg /m2。最后在鋼筋網片上安裝LED條形光源，燈LED條 8kg /m2 。

　　1) 由于不能在鳥巢原結構鋼桁架上施焊、開孔，通過捆綁的方式將鋼索網掛在鳥巢外柱內側并進行適度張緊，保持穩定。

　　2) 整個網面呈異形曲面，尺寸巨大，施工中需視鋼桁架與網幕網格位置、斜度關系，采用多種方式分別進行捆綁、張拉、連接、緊固等操作，且操作點位繁多，網幕還需依據鋼桁架的不規則走向劃分單元。

　　3) 所有操作均為高空作業。施工人員高空作業無法利用鳥巢自身主體結構，完全依靠外部設備形成操作平臺登高作業。施工采取汽車式起重機安裝操作平臺、登高平臺消防車、多種型號高空作業平臺和剪刀式升降車等多種設備相互結合的形式來完成網幕安裝。

　　4) 鳥巢設施管理部門要求施工中不得損壞鋼桁架表面涂層，采取措施防止損傷地面石材。

　　5) 施工期間鳥巢大型商務活動、體育賽事較多，施工不得影響活動的正常開展。

　　6) 鳥巢作為首都重要的游覽景區，日均接待數萬名游客游覽參觀，施工過程中要求安全、環保與文明施工。

　　3主要施工方法

　　3. 1 網幕施工工藝流程

　　測量放線→劃分施工區域及設備布置 →鋼索網安裝→鋼筋網片安裝→LED 燈條安裝→調試及配合運行。

　　3. 2 測量放線

　　3. 2. 1 施工區域劃分、控制測量，中心線測量

　　1) 在鳥巢西約 200m 處、水立方東側設觀看

　　LED 網幕表演的主席臺。施工要求網幕豎向中心線與橫向標高線垂直。原設計 LED 網幕弧長320m，高度從地面 3. 0m 向上直至鳥巢頂部。因鳥巢俯視圖和側視圖均為弧形且上大下小，為便于控制安裝精度，將網幕分為 15 個區( 見圖 1) 。鋼索網形成后，組委會決定將 LED 網幕由原弧長 320m 變更為弧長 232m，共 11 個區，南、北兩側各消減 2個區。

　　圖 1 原設計方案鳥巢施工分區

　　2) 控制測量方案以水立方東廣場地板磚軸向為依據驗測鳥巢長軸、短軸平面數據。驗測無誤后以鳥巢西側橢圓底層外 2 圈 P9 菱形柱作為網幕中心，按鳥巢原設計圖找出向南、北兩側 P1 ～ P13菱形柱處 1 圈 X 柱形外柱腳，相鄰兩個外柱腳連線，相鄰兩個內柱腳連線，各內外柱腳連線的角垂直平分線向四周延伸與西部基準線交點作為各區的豎向中心線控制點，繪制 CAD 圖形( 見圖 2) ，各區豎向中心控制線平面圖形狀呈向四周放射形，互不平行，各區豎向中心線立面圖形狀呈矩形，寬度上下相等，互相平行，因下部向圓心收斂從感觀上呈扇形。

　　圖 2 各區豎向中心控制線平面( 單位: m)

　　3) 基準線測設在觀禮主席臺中心與鳥巢短軸方向線上，距鳥巢鋼柱西外側 93m 處定一基準線中心點，在中心點安置經緯儀以觀禮主席臺中心為后視向北方設 90°，采用正倒鏡法一測回取中、距離300m 定基北，再以基北為后視向南采用正倒鏡法一測回取中、距離 300m 定基南。按 CAD 圖解垂直平分線與基準線中心線交點數據，在基北、基南線上定線量距分別定出北 1 至北7、南 1 至南 7，作為各區豎向中心線控制點，編號繪圖。

　　4) 豎向中心線測設將經緯儀安置于南、北各基線點上，后視較遠的基南或基北向鳥巢西側鋼柱方向轉相應角度，校核各腳連線中點無誤后，在鋼柱東側面，前方測量人員站在施工車或施工平臺上用吊線墜法，依據觀測者指揮標定出豎向中心線、貼紅色膠條作為標記，每個工作面豎向中心線應確保有 2 條。

　　3.2. 2 水準測量

　　1) 高程控制在鳥巢西側用水準儀 + 水準尺實測地面標高，取地面標高平均值，作為鳥巢 LED網幕工程水準點。

　　2) 標高基準線測設標高基準線測設采用換人 2 次儀器高法，2 次儀器高必須 > 100mm。在鳥巢西側鋼柱東面依次測出 3. 25m 標高基準線貼紅色膠條作為標記，然后換人再次架設儀器逐個檢查第 1 遍測設的標高基準線誤差 < 5mm 方可使用，否則應改正。

　　3) 鳥巢上部標高控制線測設上部標高測設與普通標高測法不同，因鳥巢立面周圈為橢圓形且上寬下窄，網幕是斜面所以不是測垂直高差而是測斜高。因此要事先計算出 10，20，30，40m 標高控制線的斜長然后采用兩次儀器高 + 調鋼尺法，先安置水準儀，前方測量人員站在施工車或施工平臺上，在鳥巢西側的鋼柱東面( 或南北面) 上部需測設標高位置，豎向垂下鋼尺 0 點在上，用儀器觀測、上下擺動鋼尺到事先計算好的控制線應讀數后，讓上部的操作人員在鋼尺 0 點做出紅色膠條標記，待上部所需測設標高全部完成，然后換人再次架設儀器逐個垂下鋼尺檢查第 1 遍測設的標高誤差 < 5mm 方可使用，否則應改正，標高基準線、控制線如圖 3所示。

　　圖 3 標高基準線、控制線立面

　　3. 3 區域施工單元劃分及設備布置

　　1) 按照鋼桁架的位置、斜度將整個網幕劃分為上、中、下部 3 個層次，結合 11 個分區將工程分為南、北兩大施工區域。安裝時精確到每根鋼絲繩、每個綁扎帶連接件的具體位置。施工過程中利用該圖編制每天的施工進度計劃，進度控制細化到每個單元的完成時間，做到直觀準確。同時，在該圖上將施工人員標注在所施工的區域內，實現每個區域可追溯性，提高施工人員的責任意識。

　　2) 網幕安裝最高處 57. 725m，施工中采用多種高空作業設備，保證施工絕對安全。工程高峰投入各類高空作業設備 20 臺，其中 28 ～ 43m 直臂式高空施工平臺車 10 臺，60m 登高平臺消防車 2 臺，16m 剪式升降車 4 臺，130t 汽車式起重機 4 臺。在現場有限的區域內根據設備作業高度范圍合理布局設備站位，形成有序的流水交替作業。按照施工進度要求以及施工區域高度，將設備分成 3 個施工高度范圍，25m 以下采用剪式升降車和 28m 高空作業平臺; 25 ～ 38m 采用 32，43m 高空作業平臺; 38m至頂部采用 130t 汽車式起重機安裝施工平臺和60m 登高平臺消防車。

　　3. 4 鋼索網安裝

　　3. 4. 1 上部區域

　　1) 綁扎帶連接件安裝鳥巢鋼結構桁架不允許焊接、開孔作業。按防火、顏色和綁扎形式定制了特殊綁扎帶，專用連接件與綁扎帶接觸位置做倒角處理，并設計定制了橡膠護墊，實現了對鋼桁架的有效保護。連接件的綁扎形成了可靠的連接固定點，同時又利用連接件的高度，使鋼索網與鋼桁架保留一定距離方便 LED 燈條安裝。通過連接件實現了柔性連接與剛性連接的完美過渡。連接件結構形式如圖 4 所示。為獲取綁扎帶和連接件受力后的變化情況，進行了橫向、豎向拉力試驗，記錄不同力矩條件下連接件的位移、傾斜變化情況，通過試驗確定將連接件安裝在鋼桁架靠近外側 1 /3 范圍內，此時綁扎帶對連接件的作用力最大，連接件不易產生位移和傾斜。

　　圖 4 連接件結構形式

　　根據不同受力情況，應用 2 種規格型號的綁扎帶及連接件，一種是作為 Φ20mm 鋼絲繩鋼索連接點，綁扎帶破斷拉力為 80kN; 另一種是作為 Φ8mm水平鋼絲繩連接點，綁扎帶破斷拉力為 50kN。登高平臺消防車或 130t 汽車式起重機安裝施工平臺分別就位在相鄰鋼桁架立柱旁，2 臺設備為 1組配合施工。按照單元圖中綁扎帶的位置逐一進行安裝。依據測量給定的連接件標高水平方向每隔 1. 25m 設置 1 處，將綁扎帶纏繞鋼桁架一周，掛好索扣轉動索緊手柄使綁扎帶輕微受力，此時將綁扎帶上的護角( 8mm 橡膠墊板) 就位在鋼桁架四角，將連接件就位在鋼桁架內側，然后反復提拉手柄將綁扎帶索緊，安裝完成后對緊固、護角、連接節點情況進行檢查確認，將綁扎帶索緊手柄鎖住。

　　2) Φ20mm 鋼絲繩鋼索安裝鋼索網頂端與屋面膜片相鄰位置采用 Φ20mm 鋼絲繩作為上鋼索，先將 Φ20mm 鋼絲繩一端與綁扎帶上的連接件使用3 個鋼絲繩夾連接，另一端繩頭拉到相鄰連接件位置，使用鋼絲繩拉緊器將鋼絲繩張緊，調緊拉力約5kN 為宜。將繩頭穿過連接點上的花籃調節螺栓吊環( 花籃螺栓型號為 3 /4 × 12，最大調節行程304mm，額定荷載 23. 6kN) ，用 3 個鋼絲繩夾將鋼絲繩端頭夾緊，之后拆掉拉緊器，利用花籃調節螺栓將鋼絲繩繃緊。鋼絲繩張緊方法如圖 5 所示。

　　在鋼絲繩跨度較大處利用膜片排水檐溝下方的加勁鋼板原有圓孔懸掛 Φ14mm 鋼絲繩與 Φ20mm鋼絲繩連接( 見圖 6) ，防止鋼絲繩受力過大產生下撓。根據鋼絲繩傾斜角度，按水平距離 1. 2m 對應位置在鋼絲繩上施劃標記。

　　圖 5 鋼絲繩張緊方法示意

　　圖 6 上鋼索20mm 鋼絲繩加固示意

　　3) 水平鋼絲繩安裝水平鋼絲繩采用 Φ8mm鋼絲繩，依據測量給定的標高連接件每間隔 1. 25m設置 1 根，相鄰鋼桁架之間連接件保持水平一致。鋼絲繩一端與邊緣鋼絲繩使用 3 個鋼絲繩夾連接固定，保證 1. 25m 間隔，另一端繩頭穿過連接件上的花籃調節螺栓吊環，再用鋼絲繩拉緊器將鋼絲繩拉緊，調緊拉力約 1kN，卡緊鋼絲繩夾、調緊花籃調節螺栓然后拆掉拉緊器。由于 Φ20mm 鋼絲繩與鋼桁架角度相同，故水平鋼絲繩安裝分 2 種形式，一種是一端與連接件連接，另一端與 Φ20mm 鋼絲繩連接;另一種為兩側均與連接件固定，兩種連接方式如圖7 所示。

　　圖 7 水平鋼絲繩固定形式示意

　　4) 垂直鋼絲繩安裝垂直鋼絲繩采用 Φ8mm鋼絲繩，按照在 Φ20mm 鋼絲繩水平方向上距離1.2m 做的標記，將垂直鋼絲繩上端頭利用鋼絲繩夾與 Φ20mm 鋼絲繩連接，鋼絲繩接頭處使用 3 個繩夾夾緊。垂直鋼絲繩下端頭與鋼桁架梁捆扎點做連接( 該項作業需在鋼桁架梁捆扎點安裝后才具備條件) ，將花籃調節螺栓一端吊環與捆扎點鋼絲繩連接，另一端與垂直鋼絲繩下端頭連接，操作人員向上提拉鋼絲繩下端頭，鋼絲繩繃緊，此時使用 3 個鋼絲繩夾夾緊，之后利用花籃調節螺栓將垂直鋼絲繩張緊( 見圖 8) 。

　　圖 8 垂直鋼絲繩安裝示意

　　5) 鋼絲繩十字交叉點安裝水平與垂直鋼絲繩十字交叉位置使用定制加工的夾子卡緊，夾子緊固螺栓朝向內側，從而形成 1. 2m × 1. 25m 鋼索網。鋼索網要做到橫平豎直、間距一致，繃緊力度適中。

　　6) 汽車式起重機臂頭安裝支架式重力調平施工平臺完成高空施工。

　　因網幕有大量高度在 45m 以上安裝區域，采用常規作業平臺無法達到此高度，因此采用在汽車式起重機臂頭部位安裝專用施工平臺的方式完成。調平施工平臺包括連接在汽車式起重機伸縮臂上的吊架及連接在該吊架上的調平架，吊架為 U 形，U形吊架的兩端通過軸與調平架活動連接，汽車式起重機的副臂上有 2 個安裝孔，在 U 形吊架的橫柄上設有位置調節裝置，吊架與調平架在該連接處均通過制動裝置以任一角度固定。該平臺可以自動調平，360°旋轉固定，前后變幅，方便靈活，提高了工作效率和安全性。

　　本項目選用徐工 QY100K 型 130t 汽車式起重機作為施工平臺的起升機構，起重機主臂 48m，副臂18. 1m，施工平臺通過銷軸固定在副臂端頭。通過起重機的變幅、回轉、起落和臂桿伸縮的動作對施工平臺進行控制，實現施工平臺在空間的移動，貼近作業位置。因鳥巢鋼桁架的截面尺寸為 1. 2m × 1. 2m，綁扎鋼索網需要在桁架四角操作，因此每個作業面由 2 部施工平臺配合完成，每部平臺內設置2 人作業。

　　3.4. 2 中部區域

　　1) 中部區域主要利用 23m 和 43m 高空作業平臺配合施工，該區域除垂直鋼絲繩安裝方式與上部有所區別外，其他施工方法相同。

　　2) 垂直鋼絲繩安裝中部垂直鋼絲繩安裝根據鋼桁架位置不同分 2 種形式，一種形式為上端與 Φ20mm 鋼絲繩鋼索連接，下端與鋼桁架捆扎點連接，方法同上部區域; 另一種形式為上端在鋼桁架上直接捆扎( 見圖 9) 。垂直鋼絲繩直接捆扎對于鋼桁架四角涂層和鋼絲繩的保護是需要解決的問題，既要起到保護作用又不能影響整體效果，設計制作了半圓管外側焊接圓環、內側加裝橡膠墊的專用護角。將垂直鋼絲繩繞鋼桁架 1 周，鋼桁架與鋼絲繩接觸的 4 個角使用專用護角進行保護。將鋼絲繩上端頭安裝 3 個鋼絲繩夾布置在鋼桁架內側，使用卸扣把上端頭與鋼絲繩連接作為垂直繩，下端安裝花籃調節螺栓與 Φ20mm 鋼絲繩下鋼索連接。

　　圖 9 中部垂直鋼絲繩安裝示意

　　3. 4. 3 下部區域

　　下部區域采用 28m 高空作業平臺車和剪式升降機配合施工，每 2 臺為 1 組，整個鋼索網距地面3m，最下端鋼索采用 Φ20mm 鋼絲繩，通過綁扎帶將連接件固定后鋼絲繩與連接件使用鋼絲繩夾連接( 見圖 10) 。 Φ8mm 垂直鋼絲繩安裝下端依然使用花籃調節螺栓調緊，其他方法同上。

　　圖 10 下部垂直鋼絲繩安裝示意

　　3. 4. 4 特殊節點安裝

　　1) 因鳥巢鋼桁架不規則，施工中多處鋼桁架柱結構節點位置不具備安裝綁扎帶連接件的條件，因此利用該節點上下安裝好的綁扎帶連接件，再安裝1 根 Φ14mm 鋼絲繩并張緊，形成用于安裝水平鋼絲繩的鋼索( 見圖 11) 。

　　圖 11 鋼桁架特殊位置鋼絲繩連接

　　2) 鋼桁架外柱支撐節點。鋼桁架內、外柱支撐節點處，多根鋼桁架與外柱連接，造成外柱節點處無法安裝綁扎帶，垂直鋼絲繩也無法貫通，為解決鋼絲繩連接問題，采用 Φ14mm 鋼絲繩將整個節點處進行捆綁，然后利用花籃調節螺栓張緊鋼絲繩，鋼絲繩與鋼桁架接觸的邊角使用專用護角進行保護。水平鋼絲繩與捆綁在節點位置的鋼絲繩連接( 見圖 12) 。

　　圖12 內、外柱節點處鋼絲繩鏈接

　　3. 5 鋼筋網片安裝

　　1) 鋼筋網片采用 Φ3 鋼筋焊接而成，每片規格為 1. 2m × 2. 5m，鋼筋豎向間距為 150mm，水平間距為 250mm，自重約為 1. 7kg /m2 。

　　2) 鋼筋網片作為最后安裝燈條的位置依據，要求較高的安裝精度，因此網片安裝 11 個區域獨立進行，每個區域均以垂直中心線向兩側展開，水平方向按照測量給定的 10m 標高線為依據。

　　3) 20m 以下范圍采用在已安裝完成的水平鋼絲繩上掛滑輪用棕繩提升到安裝高度的方式進行。20m 以上范圍使用高空作業平臺、130t 汽車式起重機安裝施工平臺或 60m 登高平臺消防車安裝，考慮平臺的承載能力范圍，將鋼筋網片一同運到作業位置再逐一進行安裝。遇到每個區域的邊緣，依據鋼桁架柱、梁及梯道位置使用鋼絲鉗將網片掐斷。

　　4)鋼筋網片使用綁線與鋼索網可靠連接，綁扎點不得少于6個/ m2，且均勻分布。

　　3.6 LED燈條安裝

　　1)網片完成安裝后，開始在鋼筋網片外側安裝LED燈條。38m以下使用28、32和43m高空作業平臺配合安裝，超過38m位置使用汽車式起重機安裝施工平臺或60m登高平臺消防車進行施工。每2臺設備為1組，上、下配合進行安裝。

　　2)由LED廠家進行地面組裝測試，在地面組裝成1.2m×10m標準單元，或根據桁架的不規則形狀而形成異形單元或單條雙根等形式，組裝過程不能影響安裝進度。

　　3)結合鳥巢結構形式按11個區域，首先在每個區域內垂直于中心線位置安裝單根LED燈條，作為該區域的垂直中心控制線，以中心線向兩邊安裝1.2m×10m標準單元，使用異形單元把垂直方向的不規則消滅在每個區域的桁架柱邊緣;在水平方向每隔10m設置1條水平線，把水平方向的不規則消滅在桁架梁邊緣或梯道上下，采用“歸零原則”保證屏幕各個方向實現“全”成像。在橫向出現異形時，在分區的豎向桁架柱后進行重新歸位;在豎向出現傾斜時，安裝到10m斷層處重新歸位，防止產生大面積偏差。LED視頻控制器統一安裝在10m水平線位置。

　　4)40m以下范圍采用高空作業平臺將施工人員連同燈條單元運送到作業位置，40m以上范圍采用在水平鋼絲繩上掛滑輪用棕繩提升到安裝高度。

　　5)LED燈條綁扎。使用綁線將LED燈條與鋼筋網片進行綁扎，每根LED燈條距兩端300mm處和間距1m處進行綁扎，每個標準單元綁扎大于30個點。遇到斜梁的位置無法按本辦法綁扎時，在斜梁兩端必須進行雙點綁扎加固。施工人員利用設備分別從上、下兩端向中間進行綁扎。

　　3.7 網幕加固

　　待LED燈條完成安裝后，因部分水平和垂直鋼絲繩跨度較大，使用綁扎帶對中間有鋼桁架的鋼絲繩網幕進行加固，綁扎帶直接將鋼絲繩及燈條和鋼桁架捆綁在一起，防止刮風造成網幕大幅擺動。

　　3.8 調試及運行

　　按單元將鋼筋網和LED全部與鋼絲繩連接形成網幕，對綁扎帶、吊掛點、鋼筋網片與鋼索網的連接情況進行全面檢查。調試、運行階段高空作業平臺、剪式升降車、汽車式起重機隨時配合處理各類情況。繪制運行保障定崗、定位、定責方案，對可能出現的情況編制應急技術方案，全面配合指揮中心演練及演出。

　　來源：施工技術

　　作者：李庭祥，韓大江，田鵬飛，懷雨楠

　　北京首鋼建設集團有限公司